Telemetría de biopotenciales Wi-Fi

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(1)Telemetría de Biopotenciales Wi-Fi Alejandro García M. – Asesor: Ing. Antonio José Salazar G. PhD. 22 de enero de 2007– aleja-ga,ant-sala@uniandes.edu.co. Resumen – La mayoría de los dispositivos de obtención de señales biopotenciales actuales exigen que el paciente siendo monitoreado se encuentre conectado físicamente a la red hospitalaria, restringiendo la libre movilidad del paciente y confinándolo a una cama. El proyecto de Telemetría de Biopotenciales Wi-Fi propone una solución inalámbrica al problema de la obtención de señales biopotenciales en pacientes que no necesariamente deben estar en constante reposo, tales como deportistas o pacientes que sólo necesitan un monitoreo preventivo, entre otros. La solución se implementa de manera modular con el uso de un PSoC (Programmable System on a Chip), una tarjeta inalámbrica Wi-Fi y tarjetas especializadas en la obtención de cierta señal biopotencial, cuya salida sea una señal análoga entre 0V y 5V centrada en 2.5V. Este proyecto ilustra el proceso de diseño de tarjetas especializadas en obtención de señales de electrocardiografía (ECG) y electromiografía (EMG) y cómo utilizar el PSoC y la tarjeta inalámbrica Wi-Fi para un monitoreo de estos dos tipos de señales simultáneamente. Adicionalmente se proponen maneras de capturar ocho señales biopotenciales al mismo tiempo. Se obtuvo como resultado un dispositivo capaz de enviar una señal ECG y otra EMG tanto alámbrica como inalámbricamente, con uso restringido de baterías.. 1. INTRODUCCIÓN La señales biopotenciales son todas aquellas señales producidas por el cuerpo humano que deben ser monitoreadas constante o periódicamente en los pacientes. Estas son, entre otras, el electrocardiograma, el electromiograma y la oximetría de pulso. Los dispositivos comunes de adquisición de estas señales biopotenciales se encuentran unidos a la red local de los hospitales por medio de un cableado voluminoso. Este cableado restringe la movilidad del paciente, al obligarlo a mantenerse en una habitación durante el monitoreo. Es así como nace la necesidad de buscar nuevas alternativas para lograr comunicación sin cables entre el dispositivo de adquisición y un módulo de visualización (PC, PDA, etc.) Para lograr aplicaciones de largo alcance se escogió el protocolo Wi-Fi, el cual permite crear redes de tipo WLAN, brindado así la posibilidad de transmitir inalámbricamente, y con un gran nivel de integración,.

(2) INGENIERÍA. señales biopotenciales hasta una unidad de procesamiento o visualización. Todo esto sin que se vea afectada la movilidad del paciente y por lo tanto su bienestar. Pero éste no es el único beneficio que esta tecnología inalámbrica trae consigo. La gran cantidad de dispositivos comerciales que implementan este protocolo reducen el costo de diseñar una red con este tipo de dispositivos. Adicionalmente, la utilización del protocolo de transmisión inalámbrica Wi-Fi con soporte TCP/IP, permite que el paciente sea tratado como un nodo más de la red de datos, facilitando la creación de nuevos escenarios de utilización. El problema que se quiere tratar en este proyecto es la adquisición del electrocardiograma (ECG), por su gran importancia médica, y el electromiograma (EMG) de músculos superficiales, y su posterior envío a cualquier ubicación dentro de la red para ser analizadas por un médico especialista dentro de la unidad hospitalaria. El objetivo de este proyecto es el diseño de un sistema de medición de señales biopotenciales modular, capaz de transmitir los datos adquiridos a través de una conexión inalámbrica de tipo Wi-Fi. El sistema debe estar en capacidad de enlazarse con un punto de acceso y guardar los datos enviados en un PC para su posterior lectura y análisis. Se desea que el sistema pueda transmitir dos señales biopotenciales simultáneamente. Las señales biopotenciales a tratar son señales de ECG y EMG. Sin embargo, el dispositivo debe estar diseñado de tal forma que pueda ser reconfigurado fácilmente para soportar otras señales biopotenciales, como por ejemplo la oximetría de pulso y la electroencefalografía (EEG). Utilizar tecnología Wi-Fi permite la conexión simultánea de varios dispositivos a un solo punto de acceso, lo que facilita el monitoreo de varios pacientes a la vez. En los siguientes apartados se presentarán las diferentes características de las señales a tratar, cómo deben ser adquiridas, la manera en que son procesadas y los tipos de enlaces que la tarjeta Wi-Fi puede hacer para establecer comunicación con un PC. Para finalizar se presentan los resultados obtenidos.. 2.

(3) TELEMETRÍA DE BIOPOTENCIAL ES Wi-Fi. 2. TABLA DE CONTENIDOS 1.. INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................... 1. 2.. TABLA DE CONTENIDOS............................................................................................................. 3. 3.. MARCO TEÓRICO ....................................................................................................................... 4. 4.. DISEÑO....................................................................................................................................... 5 4.1.. CARACTERÍSTICAS DE LAS SEÑALES BIOPOTENCIALES A TRATAR................................ 5. 4.2.. DESCRIPCIÓN DEL DISPOSITIVO...................................................................................... 5. 4.2.1.. Medición de las Señales Biopotenciales ............................................................................ 5. 4.2.1.1. Amplificador de Instrument ación ................................................................................... 7 4.2.1.2. Filtro Pasa Altos .......................................................................................................... 8 4.2.1.3. Filtro Notch a 60Hz ...................................................................................................... 9 4.2.1.4. Filtro Pasa Bajos ......................................................................................................... 9 4.2.1.5. Sumador de Nivel DC (2.5V) .......................................................................................10 4.2.2.. Procesamiento ...............................................................................................................11. 4.2.2.1. Control ......................................................................................................................12 4.2.2.2. Multiplexación ............................................................................................................13 4.2.2.3. Amplificación Adicional ...............................................................................................13 4.2.2.4. Conversión Análoga-Digital (ADC) ...............................................................................13 4.2.2.5. Empaquetamiento ......................................................................................................14 4.2.2.6. Conversión Paralelo-Serial (UART) ..............................................................................15 4.2.2.7. Chequeo de Bat ería....................................................................................................15. 5.. 4.2.3.. Comunicación ................................................................................................................16. 4.2.4.. Almacenamiento.............................................................................................................18. PRUEBAS...................................................................................................................................19 5.1.. TARJETAS DE ADQUISICIÓN ............................................................................................19. 5.2.. UNIDAD DE PROCESAMIENTO .........................................................................................20. 6.. RESULTADOS ............................................................................................................................23. 7.. CONCLUSIONES........................................................................................................................24. 8.. REFERENCIAS...........................................................................................................................25. 3.

(4) INGENIERÍA. 3. MARCO TEÓRICO Señal Biopotencial: Es un proceso de conversiones eléctricas y mecánicas para llegar a un pulso eléctrico que es propio del cuerpo humano y que se le conoce como biopotencial. Electrocardiografí a: El proceso de adquirir la señal biopotencial producida por los impulsos eléctricos del corazón al latir. Electromiografía: El proceso de adquirir la señal biopotencial producida por los impulsos nerviosos durante una contracción muscular. CMRR: Common Mode Rejection Rate – Tasa de rechazo del modo común. Parámetro de gran importancia en amplificadores de instrumentación pues indica que tanto es amplificado el modo común de la señal diferencial de entrada. TCP/IP: Transmision Control Protocol / Internet Protocol – TCP/IP: Base de Internet que se utiliza para enlazar computadores que tienen diferentes sistemas operativos entre sí. TCP significa Protocolo de Control de Transmisión, encargado de dividir la información en diferentes paquetes, mientras que IP significa Protocolo de Internet, responsable de dirigir esta información adecuadamente a través de la red. Los dos son protocolos de bajo nivel que permiten que Internet funcione adecuadamente. Red Ad-Hoc: Red hecha localmente e independiente que no contiene ningún cable para establecer una conexión. Los dispositivos que se encuentran en la conexión todos se encuentran conectados entre sí y no requieren de una infraestructura fija. Así mismo, los dispositivos realizan funciones de enrutamiento. Red Infraestructural: Red local que permite la conexión de varios computadores entre si a través de un enrutador. Los computadores pueden estar enlazados con el enrutador bien sea a través de cables o inalámbricamente.. 4.

(5) TELEMETRÍA DE BIOPOTENCIAL ES Wi-Fi. 4. DISEÑO 4.1. CARACTERÍSTICAS DE LAS SEÑALES BIOPOTENCIALES A TRATAR Las señales de ECG y de EMG son ambas distintas en cuanto a sus componentes en frecuencia, amplitud y sitio de adquisición. La siguiente tabla especifica cada una de las características de las dos señales a tratar. ECG Frecuencia Mín. (Hz) Frecuencia Máx. (Hz) Amplitud Típica (mV). EMG 0.05 100 0.5-1. 20 500 1-2. Tabla 1: Características de las señales de ECG y EMG [1].. Dado que sólo se desea obtener la primera derivación de la señal de ECG para ilustrar el funcionamiento del sistema, basta con colocar dos electrodos sobre la piel del paciente para obtener la señal diferencial: uno en el hombro derecho y otro en el izquierdo [2]. En cuanto a la señal de EMG, es necesario colocar un electrodo en uno de los extremos del músculo y otro en el extremo opuesto, de tal forma que la señal diferencial obtenida sea lo mayor posible [2]. 4.2. DESCRIPCIÓN DEL DISPOSITIVO Este apartado describe los diferentes módulos que deben ser diseñados para el funcionamiento total del sistema. Estos módulos serán divididos en cuatro grandes grupos: medición de las señales biopotenciales, procesamiento, comunicación y almacenamiento. 4.2.1. Medición de las Señales Biopotenciales Este grupo de módulos o etapa tiene como función obtener la señal biopotencial y acondicionarla, de tal forma que esté lista para ser enviada a la etapa de procesamiento. Dado que las dos señales biopotenciales que se van a tratar poseen características diferentes es necesario diseñar dos cadenas de acondicionamiento distintas. En primera instancia, la señal diferencial que entra a la cadena de medida debe ser amplificada. Sin embargo, esta señal posee un modo común que debe ser rechazado en la mayor medida posible. Para lograr esto, es indispensable la utilización de un amplificador de instrumentación con un CMRR superior a. 5.

(6) INGENIERÍA. 100dB. El uso del INA128P como amplificador de instrumentación, proporciona al sistema un CMRR de 130dB a una ganancia de 1000 y de 120dB a una de 100 [3]. Para evitar posible amplificación de otras fuentes de ruido, la ganancia que el INA le otorgue a la señal no puede ser demasiado grande. Así, aunque la ganancia ideal sería de 1000, puesto que se tiene un mayor CMRR, se optó por una ganancia dos veces menor, es decir, de 500V/V para ECG y de 300V/V para EMG. Según los resultados de laboratorio, la amplitud típica de la señal ECG fue de 1mV y de la EMG de 2mV. Con esto se logra que ambas señales adquieran un amplitud similar: 500mV para ECG y 600mV para EMG, lo que hace que su tratamiento posterior pueda hacerse de la misma manera. Si se desea ingresar al sistema de Telemetría Wi-Fi otras señales biopotenciales, las tarjetas de adquisición deben entregar una señal de una amplitud en el mimo rango de valores. Como segunda medida la señal debe ser filtrada con el fin de eliminar la mayor cantidad de ruido. En el caso del ECG, una de las componentes del ruido más importantes es causada por la respiración y esfuerzos musculares durante la adquisición. Tanto el ECG como el EMG poseen ruido a 60Hz provenientes de lámparas y artefactos circundantes conectados a la red eléctrica. Según lo especificado en el apartado 3.1, el ancho de banda de la señal de ECG va desde 0.05Hz hasta 100Hz, por lo que se hace necesario hacer pasar la señal por un filtro pasaaltas a 0.05Hz y un filtro pasabajas a 100Hz, ambos en configuración Butterworth de realimentación múltiple. Es además indispensable filtrar la señal a 60Hz para eliminar el ruido introducido por la red, lo cual se hace con un filtro notch a 60Hz en configuración Twin T. La cadena de filtrado para el EMG consta de exactamente los mismos módulos pero las frecuencias de corte del filtro pasaaltas y pasabajas cambian a 20Hz y 500Hz respectivamente. Por último, dado que la etapa de procesamiento acepta sólo señales análogas entre 0V y 5V centradas en 2.5V, hay que adicionar a la señal ya filtrada un nivel DC de 2.5V. La siguiente figura ilustra la cadena de medida para ambas señales. Nótese que se llamará a estas cadenas de medida “tarjetas”. La cadena de medida la simulación de cada uno de los respectivos módulos se presenta a continuación.. 6.

(7) TELEMETRÍA DE BIOPOTENCIAL ES Wi-Fi. Tarjeta ECG Señal ECG Ruidosa. INA. Filtro Pasaaltas (0.05Hz). Filtro Notch (60Hz). Filtro Pasabajas (100Hz). Sumador de Nivel DC (2.5V). Señal EC G Limpia. Filtro Pasaaltas (20H z). Filtro Notch (60Hz). Filtro Pasabajas (500Hz). Sumador de Nivel DC (2.5V). Señal EMG Limpia. Tarjeta EMG Señal EMG Ruidosa. INA. Figura 1: Diagrama de blo ques de las tarje tas de adquisició n de ECG y EMG.. Figura 2: Diagrama circuital de la tarjeta de adquisición de ECG.. 4.2.1.1. Amplificador de Instrument ación Dado su alto CMRR a altas ganancias, se recurrió al uso del INA128P para realizar la amplificación de la señal biopotencial. Según su hoja de datos, su ganancia característica está dada por la fórmula G = 1+. 50k Ω . Rg 7.

(8) INGENIERÍA. Para evitar amplificar demasiado los ruidos provenientes del ambiente y del paciente mismo, la ganancia del amplificador de instrumentación no puede ser demasiado grande. Esta ganancia debe determinarse experimentalmente, dependiendo del nivel de ruido que se observe. A menor nivel de ruido detectado mayor es el factor de ganancia que se le puede dar al amplificador de instrumentación. La figura 3 muestra el esquemático del amplificador y su simulación respectiva para una ganancia de 500. 1.0mV. 0V. -1.0mV V(Vy)-V(Vx) 500mV. 0V. SEL>> -500mV 0s. 20ms. 40ms. 60ms. 80ms. 100ms. V(INA_OUT) Time. Figura 3: Esquemático y simulación del INA128P.. 4.2.1.2. Filtro Pasa Altos Tanto las señales de electrocardiografía como las de electromiografía poseen movimiento de la línea de base, es decir, el nivel DC sobre el que parecen estar varía constantemente. Para eliminar este artefacto, es necesario implementar en la cadena de medida un filtro pasa altas, el cual eliminará las bajas frecuencias incluyendo las frecuencias “cero”, es decir el nivel DC propio de la señal, dejándo la señal en un nivel DC de cero. Las frecuencias de corte para ambos tipos de señales son diferentes, donde la de la señal ECG es de 0.05Hz y la de la señal EMG es de 20Hz. El diseño de estos filtros puede realizarse fácil y rápidamente con el programa Filter Pro, distribuido de forma gratuita por la compañía Texas Instruments. Cabe anotar además, que es conveniente la utilización de filtros tipo butterworth de realimentación múltiple, puesto que son menos sensibles al valor de los componentes que los tipo Sallen-Key. De esta forma no se obtiene una variación significativa de la frecuencia de corte diseñada, ocasionando una posible deformación de la señal, especialmente en la señal ECG. El filtro pasa altas utilizado en la tarjeta de adquisición de ECG se encuentra en la siguiente gráfica.. 8.

(9) TELEMETRÍA DE BIOPOTENCIAL ES Wi-Fi. 500mV. 250mV. 0V 1.0mHz 10mHz V(FPA_OUT). 1.0Hz. 100Hz. 1.0KHz. Frequency. Figura 4: Esquemático y simulación del filtro pasa altas de ECG.. 4.2.1.3. Filtro Notch a 60Hz Las luces y aparatos alrededor del paciente producen ruido a 60Hz en el momento de adquisición de las señales biopotenciales. Para reducir el efecto de este ruido sobre las señales adquiridas es necesario utilizar un filtro notch o rechaza-banda a 60Hz. La configuración más utilizada es la Twin-T bien sea de frecuencia de rechazo fija o ajustable. Ya que este tipo de filtros requiere de un alto apareamiento de los valores de las resistencias y condensadores que lo componen, es preferible implementar el filtro Twin-T ajustable, que permite determinar la frecuencia de rechazo mediante el ajuste de un potenciómetro lineal o trimmer. Su esquemático y simulación se encuentran a continuación.. Nótese que el trimmer está. representado por las resistencias de 7kΩ y 13kΩ mostradas en el esquemático, por ende, el trimmer debe ser de 20kΩ. 500mV. 250mV. 0V 1.0Hz V(FN_OUT). 10Hz. 100Hz. 1.0KHz. Frequency. Figura 5: Esquemático y simulación del filtro notch a 60Hz.. 4.2.1.4. Filtro Pasa Bajos Para filtrar los ruidos de alta frecuencia de las señales biopotenciales y garantizar que solo la información frecuencial necesaria es la que está siendo enviada al módulo de procesamiento, debe adicionarse a la. 9.

(10) INGENIERÍA. tarjeta de adquisición un filtro pasa bajos. El siguiente filtro fue utilizado para la señal ECG. Su simulación también se presenta a continuación.. 500mV. 250mV. 0V 1.0mHz 10mHz V(FPB_OUT). 1.0Hz. 100Hz. 1.0KHz. Frequency. Figura 5: Esquemático y simulación del filtro pasa bajos de ECG.. El filtraje total tiene entonces el siguiente diagrama de bode en magnitud: 500mV. 250mV. 0V 1.0mHz 10mHz V(FPB_OUT). 1.0Hz. 100Hz. 1.0KHz. Frequency. Figura 6: Simulación del filtro total de ECG.. 4.2.1.5. Sumador de Nivel DC (2.5V) Dado que el módulo de procesamiento está compuesto básicamente por un PSoC, cuya alimentación está entre 0V y 5V, es necesario garantizar que la señal de ECG y EMG ya filtrada no tenga valores negativos. 10.

(11) TELEMETRÍA DE BIOPOTENCIAL ES Wi-Fi. Para esto se montan ambas señales sobre un nivel DC de 2.5V. Un posible circuito que cumple muy bien esta función es el siguiente: 500mV. 0V. SEL>> -500mV V(R51:1) 3.0V. 2.5V. 2.0V 0s. 20ms. 40ms. 60ms. 80ms. 100ms. V(VOUT) Time. Figura 7: Esquemático y simulación del sumador de nivel DC (2.5V).. 4.2.2. Procesamiento Una vez se tienen las señales filtradas y ya habiendo sido sumadas con un nivel DC de 2.5V, las señales están listas para ser procesadas. La cadena de procesamiento se divide en los siguientes módulos: control, multiplexación, amplificación adicional, conversión análoga-digital (ADC), empaquetamiento, conversión paralelo-serial (UART) y chequeo de batería. Cabe anotar que la amplificación adicional es necesaria para lograr aprovechar todo el rango de conversión del ADC. El procesamiento se hace en su totalidad mediante la utilización de un PSoC (Programmable System on a Chip), el cual contiene tanto bloques análogos como digitales que sirven para implementar todos los módulos necesarios para esta etapa. Cabe anotar que el PSoC también puede implementar filtros programables, sin embargo, no pueden ser utilizados para filtrar las señales de ECG y EMG por su bajo ancho de banda. El PSoC sólo permite implementar filtros a partir de los 500Hz lo que imposibilita implementar los filtros pasaaltas a 0.05Hz y 20Hz y el filtro pasabajas a 100Hz. Para seleccionar el PSoC más adecuado para llevar a cabo el procesamiento, se recurrió a la herramienta de programación PSoC Designer v4.3 [4]. En este programa se describe el sistema que se requiere en C++ y este informa que se necesitan seis bloques digitales y cinco bloques análogos. La familia que más se. 11.

(12) INGENIERÍA. adapta a las necesidades del proyecto es entonces la CY8C27x43 de Cypress Microsystems, como puede. CY8C29x66 64 4 CY8C27x43 44 2 CY8C24794 50 1 CY8C24x23A 24 1 CY8C24x23 24 1 CY8C21x34 28 1 CY8C21x23 16 1 a Funcionalidad análoga limitada. 16 8 4 4 4 4 4. 12 12 48 12 12 28 8. 4 4 2 2 2 0 0. 4 4 2 2 2 2 2. 12 12 6 6 6 4a 4a. Tamaño de Flash. Tamaño de SRAM. Bloques Análogos. Columnas Análogas. Salidas Análogas. Entradas Análogas. Bloques Digitales. Filas Digitales. Grupo de Dispositivos PSoC. IO Digital (max). apreciarse en la siguiente tabla, proporcionada al público por la misma compañía.. 2K 256 Bytes 1K 256 By tes 256 By tes 512 By tes 256 By tes. 32K 16K 16K 4K 4K 8K 4K. Tabla 2: Comparació n de familias de PSoCs [5].. El diagrama de bloques presentado en la figura 8 muestra la interconexión de los bloques necesarios para el procesamiento. Posteriormente se explica el funcionamiento de cada módulo. PSoC (Procesamiento). Tarjeta EMG. ADC (10 bits). MUX. Amplificación Adicional. Tarjeta Otros. UART. Salida serial. Sensores. Tarjeta ECG. Empaquetamiento. C ontrol. Led Encendido Chequeo Batería. Divisor. ADC. Led Recarga. +9 -9 Batería. Figura 8: Diagrama de blo ques de la unidad de procesamiento.. 4.2.2.1. Control El módulo de control no se implementa físicamente dentro del PSoC sino que hace alusión al corrimiento por línea de código, es decir, la manera en que se ejecuta el código en el PSoC es el propio módulo de control. 12.

(13) TELEMETRÍA DE BIOPOTENCIAL ES Wi-Fi. 4.2.2.2. Multiplexación Primeramente, dentro del PSoC debe programarse una entrada multiplexada que permita elegir una de las dos señales biomédicas tratadas. Esto se logra al utilizar el bloque de multiplexación de 8 a 1 disponible dentro del PSoC, el cual permite escoger entre ocho entradas análogas distintas. Esto permitiría ampliar el sistema de Telemetría Wi-Fi hasta una capacidad de procesamiento de 8 señales biopotenciales. Puesto que sólo se requiere multiplexar la señal ECG y la EMG sólo se utilizan dos de las entradas de dicho multiplexor. 4.2.2.3. Amplificación Adicional Como se mencionó anteriormente, la señal que entra a la etapa de procesamiento sólo posee una amplitud de unos 600mV. Puesto que el rango de funcionamiento del módulo de conversión Análoga-Digital es de 0V a 5V es necesario amplificar la señal de entrada para que alcance tales niveles, dejando un margen a posibles movimientos de la línea de base de la señal. El modulo amplificación adicional, entonces, debe amplificar la señal por un factor de seis para que esta quede de unos 3.6V de amplitud aproximadamente, utilizándose así prácticamente todo el rango de conversión del ADC y dejándose un margen de 1. 4V para el movimiento de la línea de base. El bloque digital PGA (Programmable-Gain Amplifier) cumple muy bien esta labor. Debe tenerse especial cuidado en especificar al bloque PGA que la referencia contra la cual se va a amplificar es 2.5V, es decir AGND. 4.2.2.4. Conversión Análoga-Digital (ADC) Este módulo se encarga de tomar las muestras de las señales y digitalizarlas. Para este fin se utiliza el bloque ADCINCVR del PSoC con una resolución de 10 bits. Este módulo devuelve un número entero de 16 bits por cada muestra que toma, la cual está comprendida en este caso entre 0 y 1023. Esta resolución permite detectar desviaciones muy pequeñas de la forma de onda normal de un ECG. La frecuencia con que éste debe muestrear está determinada por los anchos de banda de la dos señales biopotenciales. Así, debe cumplirse el criterio de muestreo de Nyquist para ambas señales. La señal ECG, al tener una frecuencia máxima de 100Hz debe ser muestreada a un mínimo de 200Hz. En cuanto a la señal EMG, con una frecuencia máxima de 500Hz, necesita un muestreo de 1000Hz. Esto indica que debe realizarse un muestreo no uniforme de mínimo 1200Hz. Se decidió hacer un muestreo no uniforme de 1500Hz para estar un poco por encima de la frecuencia mínima, realizado de la siguiente manera: primero se toma una muestra de ECG y luego dos muestras consecutivas de EMG. El proceso se repite indefinidamente. De esta manera se logra un muestreo sobre la 13.

(14) INGENIERÍA. señal de ECG de 500Hz y de 1000Hz sobre el EMG y la señal puede se reconstruida. El teorema del muestreo no uniforme puede encontrarse en la referencia número [6]. La figura 9 hace alusión a lo anteriormente enunciado. 667µs 667 µs. 667µs 667 µs. 667µs 667 µs. 667µs 667 µs. 667µs 667 µs. Muestra Mues tra E ECG CG. Muestra M uestra EM EMG G. Muestra M uestra EMG EM G. Muestra ECG. Muestra EMG. Nótese:. ECG: ID = ASCII(8) ECG: EMG EMG:: ID = ASCII(0). Empaquetamiento Em paquetam iento. ID. Byte By te 3. Byte 2. Byte 1. Separ ador. Delay. 87µs 87 µs. 87µs 87 µs. 87µs 87 µs. 87µs 87 µs. 87µs 87 µs. 233µs 233 µs. Tasa muestreo total Tmuestra Tasa muestreo ECG Tasa muestreo EMG Rb Tb Tsimbolo 5*Tsimbolo Delay. 1500 Hz 667 µs 500Hz 1000Hz 115200 bps 8.7 µs 87 µs 434 µs 233 µs. Figura 9: Tiempos, forma de muestreo y protocolo de comunicacio nes.. 4.2.2.5. Empaquetamiento El empaquetamiento es un módulo que determina el protocolo de comunicaciones y lo hace según se muestra en la figura 3. Ya que el módulo de conversión paralelo-serial trabaja sólo con datos de 8 bits es necesario dividir el número entero de 16 bits de alguna forma para poder enviarlo sin problema. El módulo de conversión paralelo-serial del PSoC (UART) cuenta con un API (Application Programming Interface) el cual permite enviar un entero en una representación ASCII hexadecimal de cuatro bytes. El empaquetamiento se hace entonces como se muestra en la figura 3. Hay un byte de identificación (ID), el cual permite diferenciar si el string enviado corresponde a información de la señal de ECG o de EMG. Luego hay tres bytes que son la representación ASCII hexadecimal del número entero que representa la muestra tomada de la señal. Luego se coloca un byte de separación para poder determinar el inicio o finalización de un dato que llega, que puede ser cualquier carácter. Se decidió colocar el número 9 en decimal que es una tabulación en código ASCII. Por último, dada las condiciones de muestreo, se tiene un delay físico que no es el envío de un byte como tal sino la espera del sistema a que el módulo de conversión análoga-digital tome la siguiente muestra.. 14.

(15) TELEMETRÍA DE BIOPOTENCIAL ES Wi-Fi. 4.2.2.6. Conversión Paralelo-Serial (UART) Como su nombre lo dice, la función de este módulo es la de tomar los datos paralelos enviados por empaquetamiento y enviarlos serialmente a la siguiente etapa (Comunicación). Los parámetros que rigen este módulo son la rata de bits (Rb), bits de inicio, bits de datos, bits de parada y paridad. Para cumplir con los requerimientos de la tarjeta Wi-Fi escogida, los parámetros deben ser los siguientes: • Rata de Bits: 115200bps • Bits de Inicio: uno • Bits de Datos: ocho • Bits de Parada: uno • Paridad: ninguna Esto explica los tiempos presentados en la figura 9. Con una rata de bits de 115200bps se genera un tiempo de bit (Tb) de 8.7µs. Teniendo en cuenta que se tiene un bit de inicio, ocho bits de datos y un bit de parada, para un total de 10 bits por símbolo, se tiene que el tiempo de símbolo (Tsímbolo) es de 87µs. 4.2.2.7. Chequeo de Bat ería Ahora bien, ya que el sistema debe ser inalámbrico, es indispensable que este funcione con baterías. Además estas baterías deben tener una duración superior al entrenamiento físico normal de una persona, si se desea utilizar Telemetría Wi-Fi en atletas. Este tiempo se ha estimado en aproximadamente tres horas. Como la alimentación de las tarjetas y del PSoC es de 5V, para tener un rango de funcionamiento mayor, se decidió utilizar baterías recargables de 9V a 1200mAh. Así, al utilizar reguladores de 5V para alimentar tanto las tarjetas como el PSoC, según sus especificaciones técnicas el rango que se tiene es de 2.5V, es decir, el voltaje de la batería puede caer hasta 6.5V antes de que el regulador deje de entregar 5V y comience a decrecer en voltaje [7]. Según lo anterior, el voltaje mínimo que puede llegar a tener la batería para garantizar el correcto funcionamiento del sistema debe ser de 6.5V y este voltaje es el que se debe monitorear mediante el uso del PSoC. Lo que se hace es dividir el voltaje proporcionado por la batería entre algún factor y el voltaje resultante es entregado a un ADC. Este factor de división puede ser de dos, pues logra que el voltaje que recibe el ADC este entre 4. 5V y 0V. De esta manera, si el voltaje de la batería está en su mínimo aceptado de 6.5V, el voltaje visto por el ADC es de 3.25V, voltaje que con una resolución de ocho bits equivale al número entero 166. Este es el número que es monitoreado por el PSoC y una vez se obtenga un número por debajo de éste se enciende un led que avisa que la batería debe ser recargada. Es importante anotar 15.

(16) INGENIERÍA. que las baterías recomendadas son bastante costosas por lo que se utilizaron baterías de 9V convencionales para hacer las pruebas. 4.2.3. Comunicación Una vez digitalizados y procesados los datos correspondientes a la señal biomédica, éstos han de ser transmitidos vía serie (115200bps, con datos de 8 bits, uno de inicio, uno de parada y sin paridad) al módulo WLAN. El estándar WLAN elegido ha sido el 802.11b debido al menor consumo, precio y mayor disponibilidad, con respecto a otras versiones (802.11a/g). La máxima velocidad de transmisión que permite esta versión es 11Mbps, que es mucho mayor que los 115200bps que requiere el sistema. La potencia de transmisión máxima permitida para esta banda de frecuencia es de 100mW (20dbm a la salida de la antena), con lo que se puede conseguir un alcance de hasta 100m [8]. Se escogió utilizar el OEM Mini-Module 802.11b “Mini-b”, que dispone de dos interfaces serie, conectividad WLAN, un microcontrolador con una pila completa de protocolos TCP/IP integrados. El módulo puede ser configurado en detalle vía: serie, Telnet e interfaz Web. Comparando este módulo con otros dispositivos del mercado, este ofrece por el menor precio, los requerimientos ya establecidos del sistema. Véase tabla 3. Soporta Alimentación Interfaz Rata de baudios (bps) Formato de linea serial - Bits de datos - Paridad - Bits de parada Protocolos de Red. Minib 802.11b 3.3-5Vdc Serial TTL 9600-115200. Wiport 802.11b/g 3.3Vdc Serial CMOS 300-325000. 8 ninguna 1. 7-8 7-8 par, impar, ninguna par, impar, ninguna 1-2 1-2. Cliente TCP/IP, UDP/IP, SNMP, HTTP, ARP, DHCP. ARP, UDP, TCP, ICMP, Telnet, TFTP, AutoIP, DHCP, HTTP, SNMP. UDP,TCP,DHCP. Serial Telnet Web server hasta 100mts. Serial Telnet Web server hasta 100mts. 110mA 465mA 505mA. 250mA 310mA 390mA. Administración Serial (interfaz de configuración) Telnet Web server Alcance 30-100mts Corriente de alimentación - WLAN adormecido 80mA - WLAN recibiendo 210mA - WLAN transmitiendo 350mA Costo (US$) 79. 117. WFS802b 802.11b 3.3Vdc Serial CMOS 300-921600. 363. Tabla 3: Comparació n de los módulo s WLAN disponib les [9] [10] [11].. 16.

(17) TELEMETRÍA DE BIOPOTENCIAL ES Wi-Fi. Otra característica importante del sistema de Telemetría Wi-Fi es que no sólo puede enviar los datos inalámbricamente a un PC sino que también puede hacerlo mediante el uso de un puerto serial. El sistema cuenta con un conector hembra tipo DB9 por el cual puede mandarse la señal ECG y EMG digitalizada desde el PSoC hacia el puerto serial de un computador, gracias a que este cuenta con un sistema de conversión de señales TTL al estándar RS232. Este conector, además, permite que haya una conexión bidireccional entre el PC y la tarjeta Wi-Fi, lo que permite usar programas de tipo Telnet, como Hyperterminal, para configurar alámbricamente la tarjeta. Estas posibilidades de comunicación con el sistema no son simultáneas, es decir, no es posible comunicar el PSoC con el PC por medio del puerto serial y al mismo tiempo estar configurando la tarjeta Wi-Fi por el mismo medio. Por esta razón, hay un switch de dos polos y tres posiciones que rige el direccionamiento de los datos. Si el switch está en la posición 1 el PSoC estará mandando los datos a la tarjeta Wi-Fi y no al puerto serial. Si está en la posición 2, la comunicación será entre la tarjeta Wi-Fi y el puerto serial. Y si, por último, el switch está en la posición 3, el PSoC estará en capacidad de comunicarse con el puerto serial del computador. Esto se ilustra en la figura 4.. TeleWiFi PSoC. selector. Tarjeta Wi-Fi. 2 enrutador. 1. RS232. PC 2. Puerto Serie. PC. Tarjeta Wi-Fi. 2. 1 Ad-Hoc 2 Infraestructural. Figura 10: Posibilidades de comunicación de Tele metría Wi-Fi.. Telemetría Wi-Fi puede comunicarse inalámbricamente haciendo uso de dos estándares de red: Ad-Hoc o infraestructural. Por un lado, el estándar de red Ad-Hoc permite realizar conexiones entre el dispositivo y un PC directamente, sin necesidad de un enrutador de por medio. Esto permite hacer monitoreos de pacientes de forma personalizada, como en el caso de entrenadores personales que quieren monitorear a su cliente durante una determinada rutina de ejercicio. 17.

(18) INGENIERÍA. Por otro lado, el estándar de red infraestructural posibilita el enlace del sistema con un enrutador, el cual puede enviar la información bien sea inalámbricamente a un PC con tarjeta Wi-Fi o alámbricamente a un PC que esté conectado a él. Esto hace que un único PC pueda monitorear simultáneamente diferentes dispositivos enlazados al enrutador, lo que permite desarrollar aplicaciones en hospitales, donde un solo médico puede estar monitoreando varios pacientes simultáneamente. Véase figura 10. Para poder establecer la comunicación con el PC exitosamente, es necesario configurar la tarjeta Wi-Fi a través del puerto serial con los siguientes parámetros básicos: Canal (CHAN), modalidad (MODE), nombre de la red (SSID), rata de transmisión (RA TE), encriptación WEP disponible o no (WEP), clave WEP (WKID), número de la clave WEP (WK) y modalidad de autenticación (AA). Las cadenas de caracteres que deben ingresarse en el programa de tipo Telnet para configurar algunos de estos parámetros son especificadas en la tabla 4. Para ver la lista completa de los comandos diríjase a la página www.designradios.com en la hoja de configuración del módulo OEM Mini-b 802.11b. CHAN x MODE x SSID xxxxxxxxx RATE x WEP x WK x yyyyyyyyyy WKID x AA x. Donde x es el número del canal 1-14 Donde x es el modo de red x=a (Ad-Hoc) o x=b (infraestructural) Donde x es uno de los caracteres del nombre de la red Donde x es la rata de transmisión 1, 2, 5, 11Mbps Donde x=0 (OFF) o x=1 (ON) Carga la clave y en el buffer x 1,2,3,4 Donde x es el buffer en uso Donde x es la autenticación: A=Auto, S=Clave compartida, O=Abierta. Tabla 4: Cadenas de caracteres para configurar la tarje ta Wi-Fi [10].. 4.2.4. Almacenamiento Una vez la señal biopotencial ha sido adquirida, procesada y enviada al PC es necesario almacenarla para su posterior tratamiento y visualización. Con este fin, se uso el programa de tipo Telnet del sistema operativo de Windows conocido como Hyperterminal. Este programa tiene la capacidad de recibir los bytes enviados bien sea por el puerto serial o por el winsock TCP, por lo que la captura de datos se realiza sólo con un software y no es necesario desarrollar una aplicación para cada uno de los puertos del sistema de Telemetría Wi-Fi. Una vez se captura un archivo de texto con Hyperterminal compuesto por los datos enviados, el archivo debe ser procesado para decodificar los datos, corregir errores si los hay y almacenarlos nuevamente con un formato legible para el usuario. Para esto se diseñó un programa en 18.

(19) TELEMETRÍA DE BIOPOTENCIAL ES Wi-Fi. Turbo C capaz de procesar los bytes almacenados en el archivo de texto, eliminar posibles errores, escalar los datos y almacenarlos en un archivo de Microsoft Excel. El diagrama de bloques del proceso de almacenamiento se muestra en la siguiente página en la figura 10. Hyperterminal Puerto TCP (Winsock). Turbo C Señal Serial. Puerto Serial. Almacenamiento. Eliminación de Errores. Captura de Bytes. Conversión a Entero. Escalamiento. Concatenando Byte MS – Byte LS. Discriminación. EMG.xls ECG.xls. Figura 11: Proceso de almacenamiento de la señal en el PC.. 5. PRUEBAS 5.1. TARJETAS DE ADQUISICIÓN Las tarjetas de adquisición cuentan con un puerto de test que permite separar un filtro del otro. Lo que permite hacer pruebas independientes sobre cada filtro y garantizar su correcto funcionamiento. Adicionalmente, cada una de estas tarjetas posee un trimmer que permite ajustar el filtro notch a 60Hz. Para probar cada uno de los filtros se ingresó a cada uno de ellos una señal sinusoidal de una amplitud de 1V, cuya frecuencia era variada en un rango que dependía del filtro que se estuviera probando. Así, para probar el filtro pasa altas del ECG por ejemplo, se varió la señal desde 0Hz hasta 1Hz para observar si el. 19.

(20) INGENIERÍA. filtro alcanzaba un 30% (3dB) del valor de la señal sinusoidal de entrada de 1V al momento de alcanzar los 0.05Hz. La misma prueba se realizó con el filtro pasa bajos. En cuanto al filtro notch, la prueba se realizó colocando una señal sinusoidal de 1V a 60Hz en la entrada del filtro y ajustando el trimmer hasta alcanzar el mínimo valor posible en la amplitud de la señal sinusoidal de salida. Una vez probados los filtros, se prosiguió a determinar la ganancia más adecuada del amplificador de instrumentación. Para esto se conectó un individuó mediante dos cables blindado a ambas tarjeta de adquisición. De acuerdo al nivel de ruido observado se determinó que tener una amplificación superior a 500 para ECG y a 300 para EMG ocasionaba que la señal a la salida de los filtros fuera demasiado ruidosa. Por esta razón se escogieron estas ganancias para las tarjetas de adquisición, lo que hace que la Rg para la tarjeta de adquisición de ECG sea de 100Ω y la de EMG de 160Ω. 5.2. UNIDAD DE PROCESAMIENTO Para probar el correcto funcionamiento de la unidad de procesamiento, o en pocas palabras, del PSoC, se colocó una señal DC en la entrada de la señal de ECG y otra distinta en la señal de EMG. Se destinó un pin de prueba en el PSoC para observar si la multiplexación se estaba haciendo correctamente y no hubiera sobrelapamiento de las señales DC. Una vez se obtuvo un resultado satisfactorio se prosiguió a determinar si la UART enviaba los caracteres en el orden y formato que se requería. Esto se hizo manteniendo las mismas señales DC en los puertos de ECG y EMG y conectando la unidad de procesamiento a través del conector DB9 al puerto serial del computador. Los bytes enviados eran monitoreados con Hyperterminal. Posteriormente se conectó la tarjeta Wi-Fi al sistema y se enrutaron los pines de recepción y transmisión de la misma hacia el módulo de conversión RS232 conectado al puerto DB9. Esto con el fin de poder acceder a la tarjeta Wi-Fi desde el computador y programarla utilizando igualmente el programa Hyperterminal. Para generar un enlace Ad-Hoc con un PC se deben configurar la tarjeta según muestra el siguiente cuadro:. 20.

(21) TELEMETRÍA DE BIOPOTENCIAL ES Wi-Fi. SSID IP MASK. MINIB 162.254.86.73 255.255.0.0. GW WEP. 0.0.0.0 0=OFF. DHCP PORT. 0=OFF 1234. MODE LMODE BAUD RATE. A=Ad-Hoc 1=Serv er 115200 11=11Mbps. Tabla 4: Configuració n necesaria para estable cer una comunicació n Ad-Hoc. Luego debe configurarse el computador para tener una IP similar y una máscara de red idéntica. Por ejemplo, puede utilizarse la IP 165.254.86.X, donde X puede ser cualquier número entre 2 y 255 exceptuando el 73, que ya ha sido asignado a la tarjeta Wi-Fi. La máscara debe ser la misma: 255.255.0.0. Una vez se ha configurado tanto la tarjeta Wi-Fi como el PC, ya se está listo para establecer una comunicación Ad-Hoc entre el sistema de telemetría Wi-Fi y el PC. Se debe pedir al PC que se conecte a la red MINIB que aparecerá en “Conexiones de Red Inalámbricas”. Una vez la conexión sea exitosa se prosigue a configurar Hyperterminal para estar en capacidad de capturar los datos en un archivo de texto. Esto se hace como lo ilustra la figura 12.. Figura 12: Config uración de Hyperterminal para conexión Ad-Hoc.. 21.

(22) INGENIERÍA. Ya teniendo Hyperterminal configurado, los datos seriales enviados a la tarjeta Wi-Fi por el PSoC son enviados por el aire y serán capturados por el puerto TCP del PC y podrán ser visualizados a través de Hyperterminal. Luego se configura Hyperterminal para capturar un archivo de texto con el nombre CAPTURE.TXT ubicado en la carpeta de preferencia. Se puede capturar un archivo tan grande como se desee, sujeto a la capacidad de almacenamiento del PC. Una vez el archivo está listo, debe copiarse y pegarse en la carpeta BIN, ubicada en el fólder de instalación del programa Turbo C. Desde allí se corre el programa diseñado, el cual pregunta las iniciales del paciente, abre el archivo CAPTURE.TXT y lo procesa devolviendo dos archivos con los nobres INICIALES_ECG.XLS y INICIALES_EMG.XLS. Estos dos archivos tienen en su contenido la fecha y hora en que se procesa el archivo, una columna de tiempo y otra de magnitud de la señal en ese instante. Se puede entonces hacer fácilmente una gráfica XY en base a estas dos columnas. Durante las pruebas realizadas, estas fueron las gráficas obtenidas:. 0.001 0. 0008 0. 0006 0. 0004 0. 0002 0 -0. 0002. 0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1. 1.2. 1.4. 1.6. 1.8. -0. 0004 -0. 0006 -0. 0008 -0.001 -0. 0012. Figura 12: Señal de ECG obtenid a media nte una comunicació n inalámbrica Ad-Hoc.. 22.

(23) TELEMETRÍA DE BIOPOTENCIAL ES Wi-Fi. 0. 003. 0. 002. 0. 001. 0 0. 0.5. 1. 1.5. 2. 2.5. 3. 3.5. 4. -0. 001. -0. 002. -0. 003. Figura 13: Señal de EMG obtenida media nte una comunicació n inalámbrica Ad-Hoc.. La figura 12 muestra dos ciclos completos de la señal de electrocardiografía obtenida prácticamente sin ruido alguno. La figura 13 muestra dos contracciones consecutivas del músculo supinador del antebrazo. El ruido de base de esta última es bajo. 6. RESULTADOS Se desarrollaron los siguientes módulos:. ECG. EMG. PSoC. Las tarjetas de ECG y EMG implementan la cadena de medida mostrada en la figura 1 y poseen tres puertos. Uno conecta la tarjeta con el cable de adquisición de la señal biomédica, otro la conecta a la tarjeta de PSoC a donde envía la señal acondicionada y recibe la alimentación, y el último permite desacoplar los filtros entre sí para realizar pruebas. 23.

(24) INGENIERÍA. La tarjeta del PSoC implementa el diagrama de bloques diseñado en la figura 2 y contiene además dos leds que informan el estado de la tarjeta Wi-Fi (buscando red, conectando y conectado) y dos reguladores de +5V y -5V para alimentar el PSoC, las tarjetas de adquisición y la tarjeta Wi-Fi. Adicionalmente contiene el conector DB9 para permitir la interfase alámbrica con un computador. En esta tarjeta también se puede encontrar el switch de selección que permite enviar los datos alámbrica o inalámbricamente y además permite configurar la tarjeta Wi-Fi. El dispositivo total se ve de la siguiente manera:. Sus características de tamaño y consumo se aprecian en la siguiente tabla: ECG Tamaño (cm2) Consumo (mA). EMG 34 26. 34 25. PSoC Wi-Fi Total 30.1 24 122.1 22 220 293. Tabla 5: Características de tamaño y consumo.. 7. CONCLUSIONES Se logró el diseño de un dispositivo de adquisición de señales de electrocardiografía y de electromiografía que transmite las señales ECG y EMG inalámbricamente a través de una tarjeta Wi-Fi o alámbricamente, a través de un módulo de conversión TTL/RS232 conectado a un puerto DB9 serial. El sistema consume demasiada corriente por lo que el uso de baterías se restringe. Las baterías convencionales y recargables de 9V con un peso inferior a 500gr (para mantener la portabilidad) no suministran más de 1200mA h, lo que le da al sistema una independencia máxima de 4 horas. La utilización del sistema para realizar exámenes domiciliarios como el Holter requiere entonces de un constante recargado de las baterías.. 24.

(25) TELEMETRÍA DE BIOPOTENCIAL ES Wi-Fi. En el caso de que se requiera un menor consumo de corriente, en su mayoría causado por la tarjeta Wi-Fi, puede recurrirse al uso de sistemas de transmisión RF comerciales como los PRoC de Cypress Microsystems [12]. El emisor puede ser conectado al puerto DB9 del sistema de Telemetría Wi-Fi y el receptor al puerto serial del computador. Se sugiere la implementación de los módulos en tarjetas de montaje superficial para disminuir las dimensiones y peso del dispositivo. Esto aumenta la portabilidad del mismo. Se prevé la creación de un software de visualización de 8 señales biopotenciales simultáneas para ampliar la funcionalidad del dispositivo.. 8. REFERENCIAS [1] Northrop, Robert B. “Analysis and Application of Analog Electronic Circuits to Biomedical Instrumentation”. CRC Press. pp. 9-10. [2] Vaisman Rumelt, Liviu. Médico General de la Pontificia Universidad Javeriana. Médico Anestesiólogo de la Universidad del Valle. [3] Hoja de datos de INA128P. Obtenida de http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/I/N/A/1/INA128P.shtml el 2-09-2006. [4] PSoC Designer v4.3. PSoC Programmer. Obtenidos de Cypress Microsystems: www.cypress.com el 609-2006. [5] Hoja de datos de Familia PSoC CY8C27XXX. Obtenida de Cypress Microsystems: www.cypress.com el 6-09-2006. [6] Procesado de Arrays y Muestreo Aleatorio. Capitulo 1. http://tdx.cesca.es/TESIS_UPC/AVAILABLE/TDX-1026106-212159//04MNM4de10.pdf [7] Hoja de datos de LM7805-09 y LM7909. Obtenida de http://www.ortodoxism.ro/datasheets/ fairchild/LM7805.pdf el 30-11-2006. [8] Tejero, Juan Carlos. “Electrocardiógrafo inalámbrico”. Universidad de Málaga. 2003.. 25.

(26) INGENIERÍA. [9] Hoja de datos de WFS802b (Wi-Fi-serial). Obtenida de http://www.drrobot.com/products_item.asp?itemNumber=WFS802b el 22-08-2006. [10] Hoja de datos de Lantronix Wiport. Obtenida de http://www.gridconnect.com/wiport.html el 22-08-2006. [11] Hoja de datos de OEM Mini-Module 802.11b “Mini-b”. Obtenida de www.datahunter.com el 23-08-2006. [12] PRoC presentation. Design Resources. Cypress Microsystems. Obtenida de www.cypress.com/PRoCphoto el 6-01-2007. 26.

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